ＩＳＳＮ１００２４９５６ 实验技术与管理 第２８卷第３期 ２ｏ¨年３月 （：Ｎ１ １ ２Ｏ３４／Ｔ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｖｏｌ＿２８ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２０１１ 大型低速回流风洞换热器设计研究 李国文，申振华，田 丹 （沈阳航空航天大学动力与能源工程学院，辽宁沈阳 １１０１３６） 摘要：提出了用于某大气边界层风洞的新型换热装置，设计了一套水循环冷却系统。风洞内换热器足对第 ３拐角导流片进行特殊设计，｝亥设计突破传统风洞换热器的设计模式，有效地降低ｒ风洞气流的流动损失。 在该设汁中进行了换热系统的热力学计算、系统结构设计、流动阻力计算等。计算结果表明：对于该大气边 界层风洞的技术参数，使用新型导流片换热器，叮以使该风涮运转温度保持在２５℃左右；该设汁对于提高风 洞实验数据的精度具有一定的实＿｝｝Ｊ价值。 关键词：风洞；换热器设计；导流片 中图分类号：Ｖ２Ｈ．７４—３３；ＴＢ６５７．５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２—４９５６（２０１１）０３ ００６９ ０４ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｌｏｗ ｓｐｅｅｄ ｃｌｏｓｅ－ｌｏｏｐｅｄ ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ Ｉ ｉ Ｇｕｏｗｅｎ，Ｓｈｅｎ Ｚｈｅｎｈｕａ，Ｔ Ｊａｎ Ｄａｎ （Ｉｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｄｙｎａｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｏｕｒｃｅｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０１３６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｃｅｒｔａｉｎ ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｍａｋｅ ａ ｃｏｏｌｅｄ ｗａｔｅｒ ｃｉｒ— ｃｕｌａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｇｕｉｄｅ～ｖａｎｅｓ ａｔ ｃｏｒｎｅｒｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｓｐｅｃｉａｌｌｙ．Ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｍｏｄｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｉｎ ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｉｓ ｂｒｅａｃｈｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｔｕｒｎ ｄｏｗｎ ｆｌｏｗ ｌｏｓｅ ｉｎ ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅ１．Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａ１ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａ１ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｆｌｏｗ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｏｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｒｅｖｅａｌ ｔｈａｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｏｐｅｒａ ｔｉｏｎ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｍａｉｎｔａｉｎｅｄ ２５℃ｗｈｅｎ ｎｅｗ ｇｕｉｄｅ—ｖａｎｅｓ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｉｓ ｕｓｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｇｒｅａｔ ｖａｌｕａｂｌｅ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｄａｔａ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ；ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ；ｇｕｉｄｅ—ｖａｎｅｓ 随着实验空气动力学实验研究的深入发展，对提 的冷却器有多种形式：有在风洞第３扩散段与外界换 气来达到冷却气流的目的；有在风洞的大截面处设置 冷却器，冷却器采用翅片管作为冷却单元。本文使用 高风洞流场品质的要求也愈来愈重视。在连续回流式 低速风洞中，空气被电动机带动的风扇所驱动，在风洞 回路中循环流动，风扇输入的能量补充回路气流运转 时所耗损的能量，耗损的能量转化成热能，造成洞内温 风洞第３拐角导流叶片作为冷却器，这样冷却器不影 响实验段速度特性，也不会因在风洞内加装冷却设备 度不断上升。如某个大型风洞，连续工作１０ ｍｉｎ，温 升可达２Ｏ℃，夏天工作８ ｈ，洞内温度可达到５５℃，会 而造成风洞能量的消耗。 使模型结构破坏，测试仪器精度变差，实验雷诺数变 化。为保证风洞能正常运转，必须配备冷却器以保持 实验段温度恒定。标（ＧＪＢ １１７９～１９９１）要求“在 常用动压下，气流温升每小时不超过１５℃，最高温度 不超过４５℃”以使温度不致太高 。目前风洞回路中 收稿日期：２０１０ ０５—０７修改日期：２０１０ ０７ １５ 作者简介：李国文（１ ９７８），男，河北省迁西县人，硕士，工程师，研究方 １换热器参数计算 为了进行热交换器的热力学计算，最主要的是要 找到热负荷（即传热量）和流体的进出口温度、传热系 数、传热面积和它们之间的关系式。如果不考虑散至 周围环境的热损失，则冷流体所吸收的热量就应该等 于热流体所放出的热量。这时热平衡方程式可 写为 。。 Ｇａｌ Ｃ、，（ １一ｔｎ１）一Ｇａ ２ Ｃ、，（ｔｎ２一ｔ ２） （１） 向：实验流体力学，航空发动机数值模拟． Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｌｕｂｉ＠１６３．ｃｏｎｌ 式中，Ｇａ为空气流量；ｃ 为流质的质量定容热容；ｔ为 ７０ 实验技术与管理 假设换热器的冷却水平均温度为１５℃，风洞稳定 式中：Ｑ为换热量，Ａ为换热面积，△Ｔ 为冷热介质温 工作温度为２５℃，由式（１）结合表１风洞参数，可求出 空气在导流片处的平均温度为２５．５９℃，由平均温度 查表可知当前状态下的空气导热系数为２．５９×１０ ｗ／（１ＴＩ·Ｋ），水的导热系数为０．５７８ Ｗ／（ｍ·Ｋ）。雷 诺数Ｒｅ由下式确定： 一 ÷ （２） 式中：Ｇａ为风洞空气流量，ｄ为风洞拐角水利直径，Ａ 为风洞拐角面积，叩为空气动力黏度。 由式（２）可得风洞的ＲＰ为５．６５×１Ｏ 。风洞中的 空气对风洞外壁来说是属于管内强制对流流动，但相 对于换热器的拐角导流叶片来说却是相当于横掠单管 换热实验。流体横掠单管流动除了具有边界层特征 外，还要发生绕流脱体而产生回流、旋涡和涡束，故努 塞尔数』ｖ“和换热系数志分别为： Ｎｕ一０．０２７Ｒｅ Ｐｒ 。（ ／肛 ） “ （３） 是＝ ㈩ 式中：Ｐｒ为普朗特数， 为运动黏度， 为平均运动 黏度，Ｋ为换热因子，ｄ 为拐角当量直径。 由式（３）、（４）可以得到空气换热系数为９３１．７５ ｗ／（ｍ ·Ｋ）。换热器中冷却水的流动是一种管内强 制对流流动，它显然符合内部流动强制对流换热实验 的关联式，在换热的条件下，管子截面上的温度是不均 匀的。由求得的水的雷诺数可知，显然为一种紊流，而 且管内的冷却水是处于一种被加热的状态，故得冷却 水的管内紊流实验关联式为 Ｎｕ一０．０２３Ｒｅ Ｐ，－ （Ｐｒ，／Ｐｒ） （５） 由式（３）、（５）可得到水换热系数为３８６ ｗ／（Ｉ３３ ·Ｋ）。 由傅里叶定律对一个稳态换热系统进行分析得到 这个系统的总换热系数ｋ为 志一 １ （６） 式中：ｋ 为空气换热系数， 为导热片壁厚，ｋ 为水换 热系数， 为导热系数。 由式（６）得到ｋ一２３４ ｗ／（ＩＴＩ ·Ｋ）。传热方程： Ｑ— ＡＴ （７） 差。由式（７）得换热器面积为３２８ ｍ 。 由平均温差法求得的换热器所需要的换热面积比 只有蒙皮换热的第３拐角导流叶片的蒙皮面积要大， 故只靠蒙皮换热不能满足换热器需要。为此，在导流 叶片中设计肋片来增加换热面积，达到需要的换热量。 ２流动阻力计算 导流片热交换器流动阻力有两部分：风洞管路内 空气流经导流片换热器的损失和冷却水系统损失。后 者包括管程（摩擦）阻力、局部阻力和进、出口连接管阻 力。流体摩擦是实际流体运动时出现的黏性所引起 的，层流时是分子问动量互换的结果，或紊流时是运动 速度不同的相邻流体层之质点间动量交换的结果。局 部阻力损失是在正常流动遭到局部破坏，在管道形状 变化的地方流体脱离管壁形成涡流和流体剧烈地紊乱 搅和，或在遇到并绕流过障碍物（流体进入管道，扩散、 收缩、弯曲、分支；流体流过孔口，格栅等障碍物情况） 时发生的。这些都使流体各部分间的动量交换加剧 （即摩擦），并增加能量的散逸。 ＡＰ 一△Ｐ，＋△Ｐ ＋△ＰＮ （８） 式中：△Ｐ 热交换管中总压力损失；△Ｐ。沿程压力损 失；△Ｐ 局部压力损失；△Ｐ 进出口连接管压力损失。 由式（８）计算总阻力（压力损失）为３９．９５ ｋＰａ。 ３换热器结构设计 大型低速风洞拐角段长８ ｍ、高６ １ＴＩ。由于工作 环境的特殊性决定了换热器结构的特殊性。首先，换 热的主体，即热交换部分原型是管壳式换热器，但它同 时又是大型低速风洞的第３拐角导流叶片，故其结构 设计应包括第３拐角导流叶片设计；其次为保证换热 的顺利进行，要有稳定的入口冷却水温度，这就需要水 的冷却塔、水池、水泵和阀门等一整套的系统来完成整 个换热过程。 气流通过拐角和导流片的流动状态及损失受到雷 诺数、来流均匀度、壁面的粗糙度、拐角的几何形状以 及拐角导流片的几何形状和排列等诸多因素的影 响 。不带拐角，则导流片的急弯拐角速压损失可能 李『日文，等：大刮低速回流风洞换热器设计研究 高达１００ 。对于精心设计的拐角导流片，取Ｋ－二 ０．１５是合理的，基本思路是把拐角分成许多具有大展 弦比导流片的拐角。在该方法中，可以把通过拐角的 １ 弦长之比取１：２．５。 针对风洞的气动设计及换热器设计需要，第３ 拐角导流片取双圆弧型几何形状，见图１。导流叶片 动量变化率取为ｐｈｖ· ，并令其与导流片的升力 尺寸见表２。拐角导流片内设置肋板，这样在薄壁截 面内设肋可减少其截面畸变，在大面积的薄壁上布 肋可缩小局部变形和防止薄壁振动。另外，对于传 热系数很大的金属肋板，在换热器中肋板的面积相 当于换热器的换热面积。在换热器内部的肋板可以 厶 ｐ ６ｃ。 相等（ｈ是导流片的间距，６是导流片的弦长， 为通过导流片的速度），从中确定导流片的升力系数 Ｃ。 为２ ／ｃ。因此，要使用合理的ｃ 值，导流片的间 距与弦长之比应取１：３或更少些。因为本文所设计 的拐角导流片内部要通冷却水，所以导流片的间距与 阻碍流体的流动，使换热更充分。 （ａ）风洲拐角 （ｂ）导流片截Ｉ茚 图１ 风洞拐角及导流片截面图 表２导流叶片几何尺寸 ４换热能力校验 校验计算是针对现成的热交换器，其目的在于确 定流体的出口温度，并了解该热交换器在非设计Ｔ况 下的性能变化，判断能否完成在非设计工况下的换热 任务。本文所设计的热交换器其校验目的在于通过效 从定义式可知，效能ｅ表示换热器的实际换热效果与 最大可能的换热效果之比。已知ｅ后，换热器交换的 热流量 町根据两种流体的进口温度确定： ＝＝＝（（ Ｃｖ）…（ ｆ ）… 一￡（ＧａＣｖ） （ｔ １一，， ２） （１０） 根据ｅ及ＮＴＵ（传热单元法）的定义及换热器两 能传热单元法反复计算冷却水的出口温度，并计算该 换热器在小稳定状态下（即风洞刚开始工作到风洞温 度基本保持不变的这段时间）的工作情况、空气温度的 变化规律及出口水温的变化。通过校验判断该换热器 在非设计工况下的换热情况能否满足风洞正常工作的 温度要求。 类热计算的任务可知，设计计算是已知ｅ求ＮＴＵ的 相关量，而校验计ｆ算则是由ＮＴＵ求得的相关量求取 ｅ。为了算出ＮＴＵ的量，同样需要假定流体的出口温 度以获得志。但ｆ 对是的影响是通过定性温度来体现 的，显然远不如对热平衡热量或平均温差影响那么大， 在这一点上ｓ—ＮＴＵ法有一定优越性 。采用平均温 差法时，通过 值的大小可以看到流动布置与逆流的 差距，有利于改进型式的选择，这是优点。实际使用时 换热器的效能ｓ式定义 ： （ ｔ １ ） ２ （９） 究竟采用哪一种设计法，很大程度上取决于该工程领 域中的传统。 利用ｅ及ＮＴＵ定义及换热器的热力学计算任 式中，分母（ｆ —ｔ ）为流体在换热器中可能发生的最 大温度差值，而（ｆ ～ ） …为冷流体或热流体在换热器 中的最大实际温度差值。如果冷流体的温度变化人， 则（ｆ ） 一 ２，反之则（ｔ／～ ） 一（ —ｔ １）。 务，编写ＶＣ程序进行计算。经过多次循环计算，空气 的出口温度逐渐升高，换热量也逐渐增大，最终风洞内 ７２ 实验技术与管理 空气在２５℃左右达到平衡，空气进入换热器前的温度 变化和空气离开换热器时的温度变化见图２。 换热换热器，虽然换热效果比单独在最大截面处加装 常规换热器要逊色，但却节省了大量的资金和能源，体 现实用和经济性。 （２）本文通过热力学计算设计换热器的工作状 态，使风洞的工作温度在２５℃上下浮动，满足标 《高速风洞和低速风洞流场品质规范》中规定的风洞每 ｐ ＼ 小时升温不超过１５℃、风洞的工作温度不超过４５℃ 赠 的要求，能够保证该风洞的换热要求 ］，风洞能够长时 间正常工作，保证了风洞的流场品质。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） ０ ２０ ４０ ６（） ８（） １（１（） ［１］刘政崇．高低速风洞气动 结构设计［Ｍ］．北京：国防工业出版社， ２００３：６９ １１ ２． 循环次数 图２换热器进出口空气温度变化曲线 ［２］史美ｌｆ】，王中铮．热交换器原理与设计［Ｍ］．南京：东南大学出版 社，１ ９９６：５６ ９８． 由图２可知，本文所设计的换热器在风洞初始温度 ［３］Ｌｉｎｄｇｒｅｎ Ｂ．Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ Ａ Ｖ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｌｏｗ Ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ＭＴＬ Ｗｉｎｄ Ｔｕｎｎｅｌ［Ｒ］．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔｓ ｆｒｏｍ Ｒｏｙａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２００２． 为２Ｏ℃时，并不能达到完全换热的目的，但随着温度的 持续升高，换热量也逐渐加大，当风洞温度升到２５℃左 右时，换热器可以达到完全换热效果。此时，风洞的温度 将在２５℃左右变化，符合风洞正常工作的要求，即每小 时温升不超过１５℃，风洞最高温度低于４５℃的要求。 ［４］张毅．安装参数影响散热器模块性能的风洞研究［Ｊ］．汽车工程， ２００６，１２８（５）：４ ５５ ４５９． ［５］钱颂文．换热器设计于册［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００２： ３２～１２６． ｒ６］蔡运辉．换热器效能评价的新方法［Ｊ］．贵州工业大学学报。２００８， １３７（５）：１］８ １ ２０． ５ 结论 （１）采用第３拐角导流叶片作为大型的低速风洞 Ｅ７］阁防科学技术ｈｌ 委员会．ＧＪＢ １１７９ ９１高速风洞和低速风洞流场 品质规范ＩＳ］． （上接第６５页） Ｊ］．沈阳农业大学学报，２００１，３２（５）：３３３—３３８． Ｅ２］夏丽华，郭继勋．磁场对羊草过氧化物酶的激活效应及同工酶分析 （３）各组样品的Ｓ（）Ｄ酶活性的变化与培养时间有 密切关系，培养时间为７ ｈ酶活性最大、培养时问为３８ ｈ ［Ｊ］．应用牛态学报，２０００，ｌ１（５）：６９９—７０２． ［３］王海英，曾晓波．电磁场对小球藻生理特性的影响及其机理分析 时酶活性最小。培养时间为２１ ｈ时各磁场处理时间的样 品酶活性差别最大，而其他培养时间各磁场处理时间的 样品酶活性差别不大。培养时间超过１５ ｈ后，各个测量 组ＳＯＤ酶的含量差生了明显的差异，这是使豆芽芽长产 ［Ｊ］．水产科学，２００５，２（７）：１ ２ １ ５． ［４］弭晓菊，马跃，郭桂云．磁场处理番茄种子对其生理生化影响的研 究［Ｊ］．木本植物研究，１９９９，１２（１）：６８ ７４． Ｉｓ］杨林楠，陈德万，左冰意，等．恒定磁场对小麦种子的生物学效应 ［Ｊ］．西南农业大学学报，１ ９９４，８（４）：４０６ ４０７． ［６］赖光新．磁场对作物种于的生物效应［Ｊ］．种子，１９８６（２）：２３—２６． 生差距的转折点，说明磁处理具有滞后效应，磁处理短期 内并不产生明显的效果，Ｓ（）Ｉ）酶的含量在绿豆培养的中 间阶段产生明显差异；由实验还可以看出，Ｓ（）Ｄ酶的含量 Ｅｒ］李网栋，周万松，郭立文．生物磁学应用技术原理［Ｍ］．北京：国防 工业Ⅱ｛版社，１ ９９３． 和豆芽的芽长并不是明显的对应。进一步证实磁处理不 但可以促进绿豆芽生长，还可以对豆芽的超氧物歧化酶 产生影响。在此实验的启发下，可以利用磁处理的方法 ［８］薛毓华，Ｆ步东，蔡素雯．磁处理与超氧化物歧化酶的关系［Ｊ］．生物 物理学报，Ｉ ９８９（３）：２６９—２７２． 生产无公害豆芽，是一项操作简便、促进生物增产的有效 方法，有广阔的研究前景和应用推广价值。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） ［１］依艳丽，张大庚，谢修鸿，等．磁处理种子对小麦牛物学性状的影响 ［９ｊ毛伟海．磁场ｘ￣／１，麦的生物学效应及其应用研究进展［Ｊ］．麦类作 物，１９９７，ｌ ７（１）：５１ ５３． ［１Ｏ］吴雪霞，查ｊ－石，邰翔．低温胁迫对茄子幼苗生长、抗氧化酶活性和 渗透调节物质的影响ＩＪ］．江苏农业学报，２００８，２４（４）：４７１．
